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定义Definition

线性映射的秩

Rank of a linear map · Matrix rank

线性映射像空间的维数,表示其保留下来的独立输出方向数。

形式陈述 ​

对任意线性映射 T:V→W,秩定义为其像空间的维数:

rankT=dim⁡(imT).

一般向量空间的秩可以是无限基数。当 V,W 分别为 n,m 维时,秩是满足 0≤rankT≤min{m,n} 的整数。选择基并把 T 写成 m×n 矩阵 A 后,imT 在输出坐标下对应 A 的列空间,因此映射秩等于列秩;它也等于行空间的维数,即行秩。

秩在可逆换基下不变。若矩阵尺寸相容,则

rank(PAQ)=rankA

对任意可逆 P,Q 成立,并且

rank(ST)≤min{rankS,rankT},rank(A+B)≤rankA+rankB.

第一条来自 im(ST)=S(imT)⊆imS,第二条来自 im(A+B)⊆imA+imB。

直觉

秩数的是映射输出中可以独立变化的方向,而不是矩阵里有多少个非零元素,也不是映射能产生多少个不同输出。一个满是非零数的矩阵,所有列仍可能落在同一条直线上;相反,一个稀疏对角矩阵可以在每个坐标方向上都保留自由度。

从几何上看,T 把整个输入空间压进一个 r 维像空间;核中的变化完全不可见,核外也只有 r 个独立输出方向。低秩因而等价于映射经过一个低维中间空间。若 A 的秩为 r,就存在

A=BC,B∈Fm×r,C∈Fr×n,

其中 B 满列秩、C 满行秩。可先从 A 的列中选出像空间的一组基作为 B,再把每一列在这组基下的坐标排成 C。反过来,C 把输入送到 Fr,B 再把这 r 个坐标嵌入输出空间,所以乘积的秩正好是 r。

行秩等于列秩可以用行化简证明。初等行变换等于左乘可逆矩阵:它保持列之间的线性依赖关系,也保持行空间的维数。把 A 化成行阶梯形后,非零行彼此独立,其数量等于主元数;主元列也彼此独立,并生成全部列空间。行空间维数和列空间维数因此都等于同一个主元数。

例子与边界

对矩阵

A=(123246)

第二行是第一行的两倍,三列也都是 (1,2)T 的倍数,所以 rankA=1。它的秩分解可直接写成

A=(12)(123).

这个例子有六个非零元素,却只有一个独立输出方向。零矩阵的秩为 0;任何非零矩阵至少有一个非零列,秩至少为 1。

秩也精确表达线性方程的可解性。Ax=b 有解当且仅当 b 属于列空间,等价于

rankA=rank[A∣b].

有解后是否唯一由核决定;对于 n×n 方阵,满秩、核为零、可逆和每个右端项都有唯一解彼此等价。秩–零化度定理负责把“保留下来的方向”和“被压掉的方向”精确相加为 dim⁡V。

精确秩对微小扰动不连续。矩阵 diag(1,ε) 对每个非零 ε 都有秩 2,但当 ε→0 时趋近秩 1 的矩阵。在带噪数据中,可以用SVD计算奇异值,再把超过阈值的个数作为数值秩。阈值由噪声尺度、矩阵范数和应用容差决定,表示哪些方向的影响值得保留。

推论与应用

对具有精确域运算的有限矩阵,行化简返回 RREF,数其中的主元即可计算精确秩,秩分解则把低秩结构显式拆为“坐标提取”和“嵌入像空间”两步。数据压缩借此用较少坐标表示数据;带噪数据的低秩近似则寻找一个接近原数据的低秩矩阵。在线性代数之外,微分映射的秩描述局部自由方向,Jacobian 降秩常用来刻画奇异点。

对一串线性映射,还需检查所有长复合的秩。A型箭图区间分解证明这些秩能恢复全部区间重数,而仅有相邻映射的秩不够;三顶点例子实际构造兼容基以验算分解。

秩还能用来证明通信下界。对非零布尔函数的通信矩阵,每个输出为 1 的非空协议叶矩形对应一个秩为 1 的指示矩阵。若确定性协议最多交换 c 个 bit,就至多有 2c 个叶子;把这些矩阵相加并应用秩的次可加性,得到 rankM≤2c,即对数秩通信下界。在查询模型和局部测试中,资源计量转为读取多少坐标,需要针对读取过程建立下界。

参考资料
  • Sheldon Axler, Linear Algebra Done Right, 4th ed., Springer, 2024, Ch. 3.
  • Jim Hefferon, Linear Algebra, 4th ed., 2020, Ch. Three.
  • Roger A. Horn and Charles R. Johnson, Matrix Analysis, 2nd ed., Cambridge University Press, 2013, §0.4.
关系图谱32 个相邻概念 · 3 类关系

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